一种经济型N80Q套管热处理工艺研究

为了获得32Mn6钢调质升级为N80Q钢级石油套管的热处理工艺,研究和分析了32Mn6钢的相变温度和淬透性,制定了试验条件下的调质热处理工艺,并进行了试验研究。试验结果显示,32Mn6钢经过调质(淬火+回火)处理后,得到了回火索氏体组织,具有良好的综合力学性能,满足石油套管性能的需求,其各项指标均达到API 5CT规范对N80Q钢级套管要求。研究表明,作为水淬钢种,32Mn6钢可用来生产N80Q钢级油套管。最后结合金相图对不同回火温度下的组织进行了分析,确定了32Mn6生产N80Q钢级的热处理工艺。     

Q125钢级SEW石油套管的研发

介绍了采用"高频电阻焊(HFW)+热张力减径+全管体调质热处理"工艺开发的Q125钢级SEW石油套管,并对所开发套管进行了常规力学性能检测。检测结果显示,Q125钢级SEW石油套管屈服强度达到945～955 MPa,抗拉强度大于995 MPa,母材及焊缝横向冲击韧性分别大于133 J和98 J。此外,HFW焊管经过热张力减径和全管调质处理后,焊缝区与母材的组织及性能基本一致。检测结果表明,"高频电阻焊+热张力减径+全管体调质热处理"组合新工艺可生产满足APISPEC 5CT标准的Q125钢级石油套管,套管具备优良的综合性能,完全能满足油田用户的需求。     

新型P110钢级SEW石油套管研制

介绍了采用"HFW焊管+热张力减径+热处理"新工艺(简称SEW工艺)开发的P110钢级SEW石油套管的材料成分设计和试制,并对试制套管的显微组织、力学性能、外观尺寸和抗挤性能等进行了试验研究。试验结果表明,P110钢级SEW石油套管屈服强度达到840～860 MPa,抗拉强度达到925～935 MPa,母材与焊缝横向冲击韧性均达到66～78 J。特别是产品几何尺寸精度高,壁厚偏差在-1.74%～1.31%,椭圆度小于0.17%,抗挤毁强度超过API 5C3名义值26%,明显优于同钢级同规格无缝管,实现了焊缝性能优化。产品性能完全满足并优于API SPEC 5CT对P110钢级石油套管的要求。     

J55钢级SEW管坯焊缝压扁开裂问题研究

为了解决J55钢级SEW管坯生产中焊缝压扁开裂问题,对压扁开裂的原因进行了分析,同时针对性的对喷水控冷工艺进行了研究,对管坯卷板化学成分进行了改进并批量试制。分析表明,管端出现回火马氏体和微量贝氏体等脆性组织是造成SEW J55管坯焊缝压扁开裂的直接原因。研究结果显示,在管坯控冷前增加风冷环以减少管坯西端内壁进水量、降低管坯入水冷环前的温度和控冷水量,可改善管坯的压扁性能。批量试制结果说明,Ti元素是SEW J55管坯控冷工艺生产中管坯压扁开裂的主要影响因素;在卷板生产时增加Nb含量、控制并降低Ti的含量,能够解决管坯控冷后压扁开裂问题。     

SEW油层套管在模拟井条件下的射孔试验

为了在模拟井条件下进行油层套管射孔试验,从而可以直观地判断油层套管的射孔性能,对SEW(hot stretch-reducing electric welding)套管在石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心进行了模拟井条件下射孔试验。试验结果表明:J55、N80Q、P110、BSG-80TT及BSG-110TT五种钢级的SEW油层套管,其射孔性能完全符合中国石油天然气集团公司行业标准的规定,其中裂孔率为0%,裂纹长度为0 mm,射孔后外径最大胀大量总体偏小,优于国内及国外某些套管厂油层套管的射孔性能水平。     

HFW焊管生产N80Q、P110级套管和油管的工艺开发

介绍了用HFW焊管生产N80Q、P110级套管和油管的生产工艺。该工艺将低合金高强度HFW焊管经过焊后精整、整体调质处理、焊缝和管体探伤、管端螺纹加工、水压试验、通径试验等工艺,生产出了高钢级成品套管和油管。调质生产线是实现用焊管生产高钢级石油套管、油管的关键。在这个生产工艺中,焊管经过调质热处理后,材料组织发生变化,其强度、韧性等力学性能提高,达到了API SPEC 5CT标准的性能要求。     

SEW系列石油套管产品

采用高频电阻焊、热张力减径及全管体热处理工艺开发了J55、N80Q、P110、BSG-80TT、BSG-110TT及BX55钢级SEW石油套管,对开发的SEW套管进行了尺寸、力学性能等检测。结果表明:与同钢级无缝管相比,SEW石油套管管体的强韧性匹配好(冲击韧性提高了约30%)、几何精度高、壁厚公差小,在相同井深下可减少钢管用量约3%;BSG-80TT/110TT高抗挤套管的抗外压挤毁性能高于Q/SY 1394—2011标准要求值8%以上;BX55钢级SEW膨胀套管在塔河油田成功完成深井侧钻水平井膨胀套管完井作业,创当时膨胀管下入井深最深、井斜最大、连续膨胀距离最长3项国内纪录。     

SEW J55 钢级LC套管螺纹连接质量影响因素探讨

为了进一步分析SEW J55 LC套管螺纹连接质量的影响因素以及套管发生异常脱扣失效的原因,以Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC套管为例,从套管使用工况、螺纹加工参数、拧接扭矩控制等方面进行了试验研究。结果显示,SEW套管在弯曲状态拉脱试验、螺纹参数极限匹配下拉脱试验的拉脱载荷均高于API TR 5C3标准要求。研究表明,按照内控标准生产加工的SEW套管满足标准要求,弯曲工况、螺纹加工工艺、存放时间和J值均不是套管异常脱扣失效的原因。为提升SEW J55 LC套管螺纹连接质量,预防套管在油田使用中出现异常反拧退扣,建议将拧接扭矩在推荐标准基础上增大10％执行。     

BSG110T SEW高抗挤套管生产工艺研究

为了解决BSG110T SEW高抗挤套管在生产时出现母材开裂、成型焊接控制不稳定、加热时弯曲、变形以及轧辊异常损坏等问题,分析确定了原料卷板优化目标,按照制定的目标进行了原料性能检验、焊管生产试制及热处理工艺验证。结果表明,采用P110钢级SEW套管原料卷板进行焊管生产可以解决母材开裂、成型焊接控制不稳定等问题。经热处理工艺验证,P110钢级 SEW套管原料卷板经过“HFW制管+整体热处理工艺”可生产出合格的BSG110T SEW高抗挤套管。     

N80钢级直缝高频焊石油套管的研制

为了进一步提升高频电阻焊套管的韧性,实现母材与焊缝“等韧性”匹配,采用高频焊+全管体调质热处理工艺试制N80钢级Φ244.48 mm×11.05 mm套管,并对试制产品进行性能检测评价。结果表明,管体的几何尺寸、理化性能和全尺寸实物性能均满足相关标准要求,且经全管体调质处理后,HFW套管的焊缝、热影响区和母材组织性能差异较小,基本实现了焊缝与母材“等韧性”匹配,同时套管尺寸精度较高,性能均匀,具有良好的抗挤毁性能,为油田客户降本增效提供了产品保障。     

国产SEW膨胀套管实物性能研究

为进一步掌握采用SEW工艺(hot stretch-reducing electric welding,热张力减径电阻焊)制造的国产BX55和BX80膨胀套管膨胀前后管材各项力学性能的变化情况,对两种膨胀套管的组织及性能进行了检测试验。试验结果表明:BX55和BX80钢级膨胀管径向膨胀变形后,管材的屈服强度、抗拉强度会得到升高,而延伸率、冲击韧性、抗挤强度会有所下降,各项指标均满足API SPEC 5CT、API RP 5C3等标准要求。     

P110钢级中大直径高频电阻焊表层套管研制

为了满足深井超深井油气开采对中大直径高钢级表层套管的需求,采用中低碳加少量Cr、B元素成分设计,并使用高频电阻焊+全管体调质热处理工艺技术,开发试制了Φ244.48 mm×11.05 mm P110钢级石油套管。结果表明,试制产品的屈服强度、抗拉强度和延伸率的平均值分别为895 MPa、975 MPa、25.0%;0℃下3/4尺寸母材和焊缝横向冲击功平均值分别达到77 J和73 J,基本实现母材与焊缝“等韧性”匹配;接头螺纹连接强度> 6 176 kN,抗内压强度> 60 MPa,抗外压挤毁强度平均值达43.5 MPa,各项性能指标均符合API SPEC 5CT、API TR 5C3等标准要求,能够满足深井超深井用高钢级表层套管安全服役要求。     

国产55钢级SEW膨胀管实物试验研究

为了评估国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能,采用液压式膨胀方法对国产55钢级SEW膨胀管(牌号为BX55)进行了实物膨胀试验,并对膨胀后钢管的尺寸、力学性能、抗内压至失效、抗外压挤毁性能进行了研究。结果显示,BX55液压膨胀11.5%的启动压力为24 MPa,行进压力为22~25 MPa,膨胀过程的压力平稳;膨胀后管材的屈服强度为499 MPa,抗拉强度为562MPa,伸长率29%,母材横向和焊缝中心半尺寸试样0℃夏比冲击功分别为66 J和48 J,抗内压至失效压力超出API SPEC 5CT要求值87%,抗外压挤毁强度高于API RP 5C3标准要求值9%。试验结果表明,国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能优良。     

SEW高抗挤套管开发

采用"HFW+热张力减径+整管热处理+热矫直"工艺开发了80及110钢级SEW高抗挤套管,并对开发的SEW高抗挤套管进行了力学性能和抗腐蚀性能测试。结果表明,同无缝高抗挤套管相比,SEW高抗挤套管在尺寸精度、残余应力及抗外压挤毁性能方面具有较大的优势,且采用上述工艺,较好地解决了焊缝冲击韧性低及抗腐蚀性能差的问题。因此,在其他条件相同时,采用SEW高抗挤套管可解决无缝高抗挤套管带来的抗挤强度不足问题。     

冷定径工艺对热轧HFW焊管性能的影响

为了优化热轧HFW焊管的几何尺寸精度以及提高管坯强度性能,以热轧HFW J55套管管坯为例,通过力学性能、显微组织分析及硬度等试验方法,研究冷定径对管坯性能的强化作用以及不同定径量下管坯性能的变化趋势。试验结果显示,钢管在冷定径工艺处理下,管坯纵向屈服强度及抗拉强度均得到强化,最大可提升7%;定径量越大,管坯强度上升幅度越明显。研究结果表明,对于低钢级或者韧性要求不高的钢管生产时,在热张力减径后再增加冷定径工艺可以提高钢管强度,但如需要生产更高强度或更高钢级的钢管仍需相应的热处理工艺。     

API J55套管的膨胀性能分析

可膨胀的套管管材是膨胀套管技术的核心技术之一。模拟井眼中的套管膨胀力学环境，对3根国产114.3 mm API J55套管（壁厚6.35 mm）在原始状态和热处理状态下分别进行了径向6.2％及16.5％的膨胀试验，对膨胀前后套管的几何精度、材料相关性能及套管的实物性能进行了检验。发现标准API　J55套管在进行幅度为16.5％的径向膨胀后，仍然具有较好的基本性能指标，但同时发现该种套管由于材料性能方面的原因，存在变形困难的问题，还发现套管在膨胀后抗挤强度下降显著。分析结果对于可膨胀套管管材研究具有重要参考价值     

C90级耐腐蚀HFW套管性能试验研究

从强韧性、显微组织、残余应力、沟槽腐蚀性能、抗氢致开裂性能、抗H2S应力腐蚀性能等方面,分析研究了采用"HFW高频焊接+热张力减径+全管体调质热处理"工艺开发的C90级耐腐蚀HFW套管产品的性能。结果表明,采用该工艺生产的C90级耐腐蚀套管屈服强度、拉伸强度均满足API 5CT标准对C90套管的要求,母材和焊缝的横向冲击功均大于100 J,且冲击功差异不大,残余应力小于80 MPa,并且对焊缝沟槽腐蚀和氢致开裂腐蚀均不敏感;在加载80%和85%名义屈服强度应力下,H2S应力腐蚀720 h后试样不开裂,说明该工艺生产的C90级耐腐蚀HFW套管具有良好的综合力学性能和抗H2S腐蚀性能。     

BSG-P110TT石油套管的研制

为提高石油套管的抗挤毁性能,以TG26T钢为材料,设计了P110钢级石油套管钢种的化学成分,通过对TG26T钢的相变点温度、淬透性、回火温度及时间的研究,制定了P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm高抗挤石油套管的热处理工艺,并进行了现场应用。试验结果表明,在淬火温度为900℃、保温40 min,回火温度600℃、保温60 min,空冷的条件下,开发的P110钢级BSG-P110TT石油套管各项力学性能、抗外压挤毁性能均满足API SPEC 5CT标准的要求,通过油田现场应用,符合施工及作业要求。     

套管强度与热处理参数关系的数学方程

采用三元二次回归正交旋转试验设计,对中C-Mn系低合金SEW(stretch-reducing electric welding)套管的调质热处理试验和结果进行了分析,拟合了热处理工艺参数与套管强度指标的数学方程;通过数学方程的回归方程和系数方差分析,确定了主影响因素,并简化了该数学方程。通过不同热处理制度的试验验证,结果表明,该方程重现性好,可靠性高,可以用来对高钢级石油套管产品工业生产进行指导。     

BSG-65钢级SEW石油套管的研制

为了实现套管性能与成本的合理匹配,采用新型焊管热机械控制工艺(高频电阻焊+焊管热张力减径+余热在线快速冷却)开发了一种低能耗、轻量化的BSG-65钢级Φ139.7 mm×9.17 mm SEW套管。试验评价了试制套管的理化性能、全尺寸实物性能等多项性能。结果显示,产品的屈服强度和抗拉强度平均值分别达到490 MPa和692 MPa,0℃时1/2尺寸母材和焊缝横向冲击功平均值分别达到42 J和35 J,螺纹连接强度平均值达1 706 kN,抗内压至失效强度平均值达77.6 MPa,抗外压挤毁强度平均值达60.1 MPa,产品的各项性能达到相关技术要求。